Radiación y materia

Entorno Nuclear
RADIACIÓN Y MATERIA
La materia en el mundo en que vivimos está
constituida por átomos, conformados por un
núcleo compuesto de protones, con carga positiva,
y neutrones sin carga alguna. El núcleo atómico
está a su vez rodeado por capas de electrones
con carga negativa, en cantidad que equilibra la
carga positiva del núcleo. El átomo es por lo
tanto eléctricamente neutro.
En función del balance en el número de protones
y neutrones que un núcleo atómico contiene,
existen átomos inestables que emiten
espontáneamente partículas cargadas (partículas
alfa y beta), neutras (neutrones) o fotones de alta
energía (rayos X y gamma), a fin de transformarse
en un ente más estable. A esta transformación
espontánea de algunos átomos se le conoce como
radiactividad y a las partículas o rayos emitidos,
radiaciones.
Cuando la radiación pasa por un medio, deposita
energía en el material del mismo. Las partículas
alfa y beta tienen carga eléctrica y depositan
energía mediante interacciones eléctricas con los
electrones del material. Los rayos gamma y X
pierden energía de diversas maneras, pero todas
implican la liberación de electrones que orbitan
a los átomos, electrones que a su vez
interaccionan con otros electrones. Los neutrones
también pierden energía de varias formas, siendo
la más importante la colisión con protones1 de
los núcleos atómicos. Los protones adquieren
movimiento y dado que tienen carga eléctrica,
depositan su energía también mediante
interacciones eléctricas. De modo que en todos
los casos, la radiación produce en última instancia
interacciones eléctricas con el material.
En algunos casos, un electrón del material puede
recibir suficiente energía para escapar de un
átomo, dejando el átomo o la molécula de la
Figura 1. Ionización de una molécula de agua
por una partícula cargada
* Traducción libre del tercer capítulo del libro Radiation,
people and environment, publicado por el Organismo Internacional de Energía Atómica, Austria, febrero de 2004
1 8 Contacto
Nuclear
Más exactamente, se trata de la colisión de los neutrones
con núcleos de hidrógeno (que son protones). La liberación
de protones mediante la reacción neutrón – núcleo es
relativamente rara para núcleos más pesados que el del
hidrógeno.
1
cual es parte el átomo, con una carga eléctrica
positiva. La figura 1 ilustra este proceso en una
molécula de agua. La molécula tiene diez
protones y diez electrones en total, pero sólo
nueve electrones permanecen después del paso
de la partícula cargada; la molécula como un
todo queda con una carga positiva en exceso.
El proceso mediante el cual un átomo o una
molécula neutra se vuelve cargada es llamado
ionización y la entidad resultante es un ion. Una
vez removido de un átomo, un electrón puede a
la vez ionizar otros átomos o moléculas. A
cualquier radiación que causa ionización, ya sea
directamente, tal como las partículas alfa y beta,
o indirectamente como los rayos gamma y X y
los neutrones, se le conoce como radiación
ionizante. Las partículas cargadas, a su paso por
la cercanía de los átomos, también pueden ceder
energía a los electrones atómicos sin removerlos,
proceso al que se le da el nombre de excitación.
Ionización en el tejido biológico
Cada vez que una partícula cargada ioniza o
excita un átomo, pierde energía hasta que ya no
tiene suficiente para interaccionar; el resultado
final de estas pérdidas de energía es un ligero
aumento de la temperatura del material. De esta
manera, toda la energía depositada en el tejido
biológico por la radiación ionizante es
eventualmente disipada como calor en la forma
de un incremento de las vibraciones de la
estructura molecular o atómica. La ionización
inicial y los cambios químicos resultantes son la
causa de los efectos biológicos dañinos.
La unidad básica del tejido biológico es la célula,
la cual tiene un centro de control llamado núcleo.
El núcleo de una célula es una estructura
compleja y no debe confundirse con el núcleo
de un átomo. Alrededor del 80% de la célula es
agua, mientras que el otro 20% son compuestos
biológicos complejos. Cuando la radiación
ionizante pasa por el tejido celular, produce
moléculas de agua cargadas. Estas se
descomponen en entidades llamadas radicales
libres, tales como el radical libre hidroxilo (OH),
compuesto de un átomo de oxígeno y otro de
hidrógeno. Los radicales libres son altamente
reactivos químicamente y pueden alterar
moléculas importantes de las células2.
Una molécula particularmente importante es el
ácido desoxirribonucleico, ADN, que se encuentra
principalmente en el núcleo de la célula. El ADN
controla la estructura y función de la célula y
proporciona copias de sí mismo; sus moléculas
son grandes y las estructuras que lo acomodan,
los cromosomas, son visibles con un microscopio.
Todavía no se comprenden cabalmente las
diversas formas en las que la radiación daña a
las células, pero puede ser que estén involucrados
los cambios en el ADN. Existen dos maneras en
las cuales esto puede ocurrir: la radiación puede
ionizar una molécula de ADN causando
directamente un cambio químico, o el ADN puede
cambiar indirectamente cuando interacciona con
un radical hidroxilo producido por la radiación
en el agua de la célula. En cualquier caso, el
cambio químico puede causar un efecto biológico
dañino que conduzca al desarrollo de cáncer o
bien a defectos genéticos hereditarios.
Una de las propiedades más importantes de los
diferentes tipos de radiación es su capacidad para
penetrar la materia. La profundidad de la
penetración de un tipo de radiación dado se
incrementa con su energía, pero varía de un tipo
de radiación a otro para la misma cantidad de
energía. Con partículas cargadas como las alfa y
las beta, la penetración depende de su masa y
de su carga. A energías iguales, una partícula
La producción de radicales también se lleva a cabo por
substancias derivadas de los nutrientes ingeridos
(«oxidantes»). En este sentido, el efecto de la radiación y
el de los alimentos son en última instancia, los mismos.
2
Contacto Nuclear 1 9
beta penetrará más que una partícula alfa. Las
partículas alfa difícilmente penetran la capa inerte
más externa de la piel humana;
consecuentemente, los radionúclidos que las
emiten no presentan riesgo, a no ser que se
introduzcan en el cuerpo mediante la respiración,
la comida o una herida en la piel. Las partículas
beta penetran alrededor de un centímetro de
tejido, de modo que los radionúclidos que las
emiten son un riesgo para los tejidos superficiales
pero no para los órganos internos, a menos que
sean introducidos en el cuerpo. Para la radiación
indirectamente ionizante como los rayos gamma
y los neutrones, el grado de penetración depende
de la naturaleza de sus interacciones con el
tejido. Los rayos gamma pueden pasar a través
del cuerpo, de manera que los radionúclidos
que los emiten pueden causar daño tanto si se
encuentran en el exterior como en el interior
del cuerpo. Los rayos X y los neutrones también
pueden atravesar el cuerpo.
Magnitudes para las dosis
Aunque no podemos detectar la radiación
mediante nuestros sentidos, podemos detectarla
y medirla por otros medios. Estos incluyen
métodos establecidos que se basan en películas
fotográficas, tubos geiger–müller y contadores de
centelleo, así como nuevas técnicas que utilizan
materiales termoluminiscentes y diodos de silicio.
Las mediciones efectuadas pueden interpretarse
en términos de la energía que la radiación
depositaría en el cuerpo humano o en una parte
del mismo. Cuando la medición directa no es
posible, por ejemplo cuando un radionúclido está
depositado en un órgano interno, podemos
calcular la dosis siempre que conozcamos la
cantidad de actividad retenida en el órgano.
La cantidad de energía que una radiación dada
deposita por unidad de masa de un material, tal
como el tejido humano, es llamada la dosis
2 0 Contacto
Nuclear
Tabla 1. Factores de ponderación relacionados con el riesgo
asociado a tejidos u órganos
absorbida. Se expresa mediante una magnitud
llamada gray, representada con el símbolo Gy,
donde un gray es igual a 1 joule por kilogramo.
Frecuentemente, se usan submúltiplos del gray,
tales como el miligray, mGy. El nombre de gray
se deriva del físico inglés Harold Gray.
Los diferentes tipos de radiación difieren en la
forma en que interaccionan con los materiales
biológicos, de modo que a dosis absorbidas
iguales (o sea cantidades iguales de energía
depositada) no se tienen necesariamente los
mismos efectos. Por ejemplo, una dosis de 1 Gy
en tejido debida a la radiación alfa es más dañina
que 1 Gy de radiación beta, debido a que una
partícula alfa, al moverse lentamente y estar más
cargada, pierde energía densamente a lo largo
de su trayectoria. Por lo anterior y a fin de
establecer una base de comparación con respecto
al potencial de la radiación para causar daño, es
necesario establecer otra magnitud de medida,
la llamada dosis equivalente, la cual se expresa
mediante una unidad llamada sievert, cuyo
símbolo es Sv. Es común el empleo de
submúltiplos como el milisievert, mSv. El sievert
se nombra en honor del físico sueco Rolf Sievert.
La dosis equivalente es igual a la dosis absorbida,
multiplicada por un factor que toma en cuenta
la forma en que un tipo particular de radiación
distribuye energía en el tejido, de manera que
podamos incluir su eficiencia relativa para causar
daño biológico. Para los rayos gamma, rayos X, y
las partículas beta, este factor de ponderación se
fija en 1, por lo que la dosis absorbida y la dosis
equivalente son numéricamente iguales. Para
las partículas alfa, el factor se fija en 20, de modo
que la dosis equivalente es 20 veces la dosis
absorbida. Los valores del factor de ponderación
para neutrones de diferentes energías varían
entre 5 y 20.
Definida de esta manera, la dosis equivalente
proporciona un índice de la probabilidad de daño
a un órgano o tejido determinado debido a la
exposición a varios tipos de radiación,
independientemente de su tipo o energía. Por lo
tanto 1 Sv de radiación alfa en el pulmón crearía
el mismo riesgo de cáncer mortal que 1 Sv de
radiación beta. El riesgo en diferentes partes del
cuerpo humano varía de un órgano a otro. Por
ejemplo, el riesgo de malignidad mortal por cada
unidad de dosis equivalente es menor en la
tiroides que en el pulmón. Por otra parte, hay
otros tipos importantes de daños tales como el
de cánceres no mortales o el riesgo de daños
hereditarios severos causados por la irradiación
de los testículos o los ovarios. Estos efectos son
diferentes tanto en tipo como en magnitud y
debemos tenerlos en cuenta al evaluar el
detrimento total de la salud de los seres humanos,
derivado de la exposición a la radiación.
Podemos resolver todas estas complejidades
multiplicando la dosis equivalente en cada uno
de los principales tejidos y órganos del cuerpo
por un factor de ponderación relacionado con el
riesgo asociado a dicho tejido u órgano (tabla 1).
La suma de todas estas dosis equivalentes
ponderadas es una cantidad llamada la dosis
efectiva, la cual nos permite representar las
diferentes dosis equivalentes en el cuerpo con
un solo número. La dosis efectiva también toma
en cuenta la energía y el tipo de radiación y por
lo tanto da una indicación general del detrimento
de la salud. Por otra parte, se aplica por igual a la
exposición externa e interna y a la irradiación
uniforme o no uniforme.
A veces es útil tener una medida de la dosis total
de radiación administrada a grupos de personas
o a toda una población. La magnitud empleada
para expresar este total es la dosis colectiva
efectiva. Se obtiene mediante la adición, para todas
las personas expuestas, de la dosis efectiva que
cada persona en ese grupo o población ha
recibido de la fuente de radiación de interés. Por
ejemplo, la dosis efectiva debida a todas las fuentes
de radiación es, en promedio, 2.8 mSv en un
año. Dado que la población mundial es de unos
6,000 millones, la dosis colectiva anual de la
población es el producto de estos dos números,
alrededor de 17 000 000 hombre sievert, u
hombre-Sv.
Es común abreviar el término «dosis efectiva»
empleando simplemente «dosis», así como usar
«dosis colectiva» en lugar de «dosis efectiva
colectiva».
Contacto Nuclear 2 1